无线传感器网络第2、3章(传感器网络的通信与组网技术)

1、第二章第二章传感器网络的通信与组网技术传感器网络的通信与组网技术 通常传感器节点的通信覆盖范围只通常传感器节点的通信覆盖范围只有几十米到几百米，人们要考虑如何在有几十米到几百米，人们要考虑如何在有限的通信能力条件下，完成探测数据有限的通信能力条件下，完成探测数据的传输。无线通信是传感器网络的关键的传输。无线通信是传感器网络的关键技术之一。技术之一。无线传感器网络物理层对无线传感器网络物理层对节点能耗的影响节点能耗的影响通信单元在不同工作状态下的功耗传感器节点的大部分能量消耗在无线通信模块 。2.1 2.1 物理层物理层1.1.物理层概念物理层概念物理层：为数据流传输所需的物理连接的建立、维护物

2、理层：为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的手段。和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的手段。 从定义可以看出，物理层的特点是负责在物理连从定义可以看出，物理层的特点是负责在物理连接上传输二进制比特流，并提供为建立、维护和释放接上传输二进制比特流，并提供为建立、维护和释放物理连接所需要的机械、电气、功能和规程。物理连接所需要的机械、电气、功能和规程。物理层的主要功能物理层的主要功能 为数据终端设备为数据终端设备(Data Terminal (Data Terminal EquipmentEquipment，DTE)DTE)提供传送数据的通路。提供传

3、送数据的通路。 传输数据。传输数据。 其他管理工作。其他管理工作。机械特性机械特性。它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形状和尺。它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。电气特性电气特性。它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路上。它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路上信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。功能特性功能特性。它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定。它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般

4、分为数据线、控制线、定时线和地线。义。物理接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线。规程特性规程特性。它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作。它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。过程，包括各信号线的工作规则和时序。物理接口的四个特性物理接口的四个特性 无线通信物理层的主要技术无线通信物理层的主要技术包括包括: :介质的选择介质的选择频段的选择频段的选择调制、解调技术调制、解调技术超宽带和扩频技术超宽带和扩频技术无线通信物理层的主要技术无线通信物理层的主要技术n无线通信的主要技术无线通信的主要技术无线通信物理层协议无线通信物理层协议介质

5、、介质、频段频段选择选择调制、解调调制、解调技术技术扩频技术扩频技术电磁波电磁波声波声波无线电波无线电波毫米波毫米波红外线红外线微波，光波微波，光波模拟调制模拟调制数字调制数字调制直接序列扩频直接序列扩频 跳频跳频 跳时跳时线性调频线性调频 典型通信典型通信技术技术超宽带技术（超宽带技术（UWBUWB） 1 1、介质和频段选择、介质和频段选择 无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根的无线通信介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁波分为无线电波、微波、红外线、毫据波长的不同

6、，电磁波分为无线电波、微波、红外线、毫米波和光波等，其中无线电波在无线网络中使用最广泛。米波和光波等，其中无线电波在无线网络中使用最广泛。2.2.无线通信物理层的主要技术无线通信物理层的主要技术 无线电波容易产生，可以传播很远，可无线电波容易产生，可以传播很远，可以穿过建筑物，因而被广泛地用于室内或室以穿过建筑物，因而被广泛地用于室内或室外的无线通信。无线电波是全方向传播信号外的无线通信。无线电波是全方向传播信号的，它能向任意方向发送无线信号，所以发的，它能向任意方向发送无线信号，所以发射方和接收方的装置在位置上不必要求很精射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的对准。确的对准。 无线电波的

7、传播特性与频率相关。如果采用较低频率，无线电波的传播特性与频率相关。如果采用较低频率，则它能轻易地通过障碍物，但电波能量随着与信号源距离则它能轻易地通过障碍物，但电波能量随着与信号源距离r r的增大而急剧减小，大致为的增大而急剧减小，大致为1/r1/r3 3。如果采用高频传输，。如果采用高频传输，则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。无线电波易则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰。受发动机和其它电子设备的干扰。 另外，由于无线电波的传输距离较远，用户之间的相另外，由于无线电波的传输距离较远，用户之间的相互串扰也是需要关注的问题，所以每个国家和地区都有

8、关互串扰也是需要关注的问题，所以每个国家和地区都有关于无线频率管制方面的使用授权规定。于无线频率管制方面的使用授权规定。频段分配名称甚低频低频中频高频甚高频超高频特高频极高频符号VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF频率3-30KHz30-300KHz0.3-3MHz3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz3-30GHz30-300GHz波段超长波长波中波短波米波分米波厘米波毫米波波长1KKm-100Km10Km-1Km1Km-100m100m-10m10m-1m1m-0.1m10cm-1cm10mm-1mm传播特性空间波为主地波为主地波与天波天波与地波空间波空间波空间波空间波主要

9、用途海岸潜艇通信;远距离通信;超远距离导航越洋通信;中距离通信;地下岩层通信;远距离导航船用通信; 业余无线电通信;移动通信;中距离导航远距离短波通信;国际定点通信电离层散射(30-60MHz);流星余迹通信; 人造电离层通信(30-144MHz); 对空间飞行体通信; 移动通信小容量微波中继通 信; (352-420MHz); 对流层散射通信(700-10000MHz);中容量微波通信(1700-2400MHz)大容量微波中继通信(3600-4200MHz);大容量微波中继通信(5850-8500MHz);数字通信; 卫星通信;国际海事卫星通信(1500-1600MHz)再入大气层时的通信;

10、波导通信在通信系统中在通信系统中调制与解调调制与解调是一种基本的技术。是一种基本的技术。 调制调制是指用一个信号去控制另一个信号的某一个是指用一个信号去控制另一个信号的某一个参量的过程。参量的过程。被控制的信号称为被控制的信号称为载波载波 ( Carrier Wave )。变换器变换器发送系统发送系统信道信道接收系统接收系统变换器变换器消息消息信号信号信号信号消息消息调制调制解调解调2 2、调制、解调技术、调制、解调技术n基带信号：没有经过高频调制的信号。比如语音基带信号：没有经过高频调制的信号。比如语音、图像、数据。有时也指经过信源编码或时分复、图像、数据。有时也指经过信源编码或时分复用的信

11、号，频率较低。用的信号，频率较低。n基带传输：基带信号不经过调制直接传输。基带传输：基带信号不经过调制直接传输。n调制：为了有效传输，在发射机将基带信号调制调制：为了有效传输，在发射机将基带信号调制到较高频率进行发送称为调制。到较高频率进行发送称为调制。概念简介概念简介通常信号源的编码信息（即信源）含有直流分量和通常信号源的编码信息（即信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为频率较低的频率分量，称为基带信号基带信号。基带信号往。基带信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相对基带频率而言频率非常高的带通信号，以便于进对基带频率而言频率非常

12、高的带通信号，以便于进行信道传输。通常将带通信号称为已调信号，而基行信道传输。通常将带通信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。带信号称为调制信号。概念简介概念简介调调制制技术在通信中的作用技术在通信中的作用1.1.信号和信道的匹配信号和信道的匹配2.2.电波有效辐射电波有效辐射3.3.频率分配频率分配4.4.减小干扰减小干扰几种最基本的调制方法几种最基本的调制方法n调制就是进行波形变换（频谱变换）。 n最基本的二元制调制方法有以下几种：n调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 n调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。n调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。n对

13、基带数字信号的几种调制方法调制方式用途 连续波调制 线性调制常规双边带调副AM广播抑制载波双边带调幅DSB立体声广播单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数传残留边带调幅VSB广播电视、数传、传真非线性调制频率调制FM微波中继、卫星通信、广播相位调制PM中间调制方式 数字调制幅度键控ASK数据传输频率键控FSK数据传输相位键控PSK、DPSK、QPSK数据传输、数字微波、空间通信其它高效数字调制QAM、MSK数字微波、空间通信 脉冲调制脉冲模拟调制脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制PDM（PWM）中间调制方式脉位调制PPM遥测、光纤传输脉冲数字调制脉码调制PCM市话、空间通信增量调制DM、

14、CVSD、DVSD军用电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码其它方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话各种调制方式性能比较如表各种调制方式性能比较如表4-44-4所示所示 调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。根据调制中采用的基带信号的类型，可以将调制分为根据调制中采用的基带信号的类型，可以将调制分为模拟调制模拟调制和和数字调制数字调制。 模拟调制模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控是用模拟基带信号对高

15、频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。 数字调制数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系制，使高频载波随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字调制已经成为了统都在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制技术。主流的调制技术。 根据原始信号所控制参量的不同，调制分为根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制幅度调制（Amplitude Modulation,

16、AMAmplitude Modulation, AM）、）、频率调制频率调制（Frequency Frequency Modulation, FMModulation, FM）和）和相位调制相位调制（Phase Modulation, PMPhase Modulation, PM）。）。 当数字调制信号为二进制矩形全占空脉冲序列时，由于当数字调制信号为二进制矩形全占空脉冲序列时，由于该序列只存在该序列只存在“有电有电”和和“无电无电”两种状态，因而可以采两种状态，因而可以采用电键控制，被称为键控信号，所以上述数字信号的调幅、用电键控制，被称为键控信号，所以上述数字信号的调幅、调频、调相分别又被

17、称为幅移键控调频、调相分别又被称为幅移键控(Amplitude Shift (Amplitude Shift Keying, ASK)Keying, ASK)、频移键控、频移键控(Frequency Shift Keying, FSK)(Frequency Shift Keying, FSK)和相移键控和相移键控(Phase Shift Keying, PSK)(Phase Shift Keying, PSK)。 20 20世纪世纪8080年代以来，人们十分重视调制技术年代以来，人们十分重视调制技术在无线通信系统中的应用，以寻求频谱利用率更在无线通信系统中的应用，以寻求频谱利用率更高、频谱特性

18、更好的数字调制方式。由于振幅键高、频谱特性更好的数字调制方式。由于振幅键控信号的抗噪声性能不够理想，因而目前在无线控信号的抗噪声性能不够理想，因而目前在无线通信中广泛应用的调制方法是频率键控和相位键通信中广泛应用的调制方法是频率键控和相位键控。控。 扩频又称为扩展频谱，它的定义如下：扩频扩频又称为扩展频谱，它的定义如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与

19、所传信息数据无关；在及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据。复所传信息数据。3 3、扩频和超宽带技术、扩频和超宽带技术扩频通信系统的特点扩频通信系统的特点n抗干扰能力强，误码率低。抗干扰能力强，误码率低。n保密性强。保密性强。n功率谱密度低，对其他通信系统及对人体的干扰功率谱密度低，对其他通信系统及对人体的干扰影响小，具有良好的隐蔽性能。影响小，具有良好的隐蔽性能。n易于实现大容量多址通信。易于实现大容量多址通信。n能精确定时与测距，可广泛用于雷达、导航、通能精确定时与测距，可广泛用于雷达、导

20、航、通信、测距等系统信、测距等系统 扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum, (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)DSSS)、跳频跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum, (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)FHSS)、跳时跳时(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)(Time Hopping Spre

21、ad Spectrum, THSS)和和宽带线性调频扩频宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum, chirp-SS(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，简称切普扩频简称切普扩频) )。（1 1）直接序列扩频（）直接序列扩频（DS-SSDS-SS） 通过直接通过直接用伪随机信号产生的随机序列用伪随机信号产生的随机序列与多个基带信号脉冲数据相乘与多个基带信号脉冲数据相乘来扩展基带来扩展基带数据。其伪噪声系列由伪噪声生成器产生数据。其伪噪声系列由伪噪声生成器产生。PNPN码中的每一个脉冲或符号位称为码片码中的每一个脉冲或符号位称为码片（chipchi

22、p）。）。n在相移调制前进行模在相移调制前进行模2 2运算。在接收端可能运算。在接收端可能会采用相干或差分会采用相干或差分PSKPSK解调。解调。（2 2）跳频扩频技术（）跳频扩频技术（FH-SSFH-SS）n跳频扩频技术（跳频扩频技术（FH-SSFH-SS）在一定的传输时间内跳）在一定的传输时间内跳换频率。频率的跳跃安排可认为是一串随时间变换频率。频率的跳跃安排可认为是一串随时间变化并具有伪随机特性的调制信号数据。化并具有伪随机特性的调制信号数据。n一串可能的跳跃序列被称为一串可能的跳跃序列被称为跳跃集跳跃集（hopsethopset）。）。跳跃发生在频带上跨越一系列的信道。每一个信跳跃发生

23、在频带上跨越一系列的信道。每一个信道由具有中心频点的频带区域而构成。在这个频道由具有中心频点的频带区域而构成。在这个频带内能够在相干的载波频率上足够进行窄带编码带内能够在相干的载波频率上足够进行窄带编码调制（通常为调制（通常为FSKFSK）。）。（3）跳时扩频）跳时扩频（time hopping spread spectrum ）n以伪随机序列选择时序发送信号的扩频技以伪随机序列选择时序发送信号的扩频技术。术。n是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把射信

24、号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用了窄得多的时时片的时移键控。由于采用了窄得多的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。就展宽了。（4 4）线性调频）线性调频（chirp Spread Spectrumchirp Spread Spectrum）nChirp信号常用于雷达系统中，用于克服雷达系统中探测距离和分辨力的矛盾。n雷达信号是一个很窄的脉冲信号（类似于通信中的冲激无线电信号）。雷达的距离分辨力取决于该脉冲的宽度，为了获得好的距离分辨力，脉冲的持续时间越

25、短越好。n为了保证远的探测距离，雷达要发射出足够的信号能量，因此必须在很短的脉冲持续时间内，用很大的功率发射信号。n为了克服这个困难，线性调频技术开始应用于雷达系统。线性调频又被称为Chirp，它是把一段线性扫频的脉冲作为发射信号，发射信号的带宽主要取决于扫频的频率范围，而与脉冲信号的持续时间无关。 超宽带无线技术超宽带无线技术超宽带UWB无线技术，即脉冲无线电技术，使用1 GHz以上的带宽，与传统通信技术不同的是，UWB是一种无载波通信技术，即它不采用载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此它的频谱范围很宽，适用于高速、近距离的无线个人通信。据资料表明，UWB信号的有效传输距离在1

26、0m以内，传输速率可达500 Mbits，UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短(约为020ns15 ns)，有很低的占空因数，系统耗电可以很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百W至几十mW。与IEEE8021 l相比，在短距离内，UWB的通信速率可以达到上千兆，是IEEE80211的几十倍。 的应用特点的应用特点 高速、大容量，用于无线接入。相对于蓝牙（10米距离）等窄带体制有明显优势。 低功率谱密度，信号不易截获，有隐避性。 强抗多径能力，方便接收。 强定位能力，利于机器人视觉。 强穿透能力，能穿透墙壁或其他障碍物。 设备简单，主要由数字电路实现，成本低。有关有关UWBUWB

27、的的历史1950196019701980199020002003 2003 相继出现不同体制相继出现不同体制UWBUWB应用的芯片组和系统应用的芯片组和系统20022002 FCC FCC允许允许UWBUWB民用通信系统投入使用民用通信系统投入使用19981998 FCC FCC发布发布UWBUWB技术应用调查通告技术应用调查通告19941994 第一套公开的第一套公开的UWBUWB通信系统出现通信系统出现19901990 OSD/DARPA OSD/DARPA发布超宽带技术评估报告发布超宽带技术评估报告19861986 第一套第一套”短脉冲短脉冲”UWBUWB通信系统问世通信系统问世(Ros

28、s/Fontana)(Ross/Fontana)19731973 第一个第一个UWBUWB通信专利（通信专利（RossRoss）1960s1960s Harmuth Harmuth、RossRoss、RobbinsRobbins和和EttenEtten做了大量基础研究做了大量基础研究1950s1950s UWB UWB技术始于微波网络的瞬态响应研究技术始于微波网络的瞬态响应研究超宽带的历史 在FCC(Federal Communications Commission)批准之前经历了四年的辩论 IEEE两大竞争方案中经历了四年的标准之争 多个竞争方案归为一种标准: 多频带OFDM (MB-OFD

29、M)批准无牌照的批准无牌照的 UWB规则制定的提议规则制定的提议调查调查超宽带超宽带两大两大阵营阵营形成形成推出第一个推出第一个WiMedia产品产品超宽带超宽带两大阵营形成两大阵营形成宣布成立宣布成立 SIG与与合并合并成立成立MBOA 放弃请求放弃请求通过批准通过批准Ecma对提议对提议进行审查进行审查发布基于发布基于WiMedia UWB的标准的标准 UWB UWB 的性能的性能UWB 是传输数据的无线个域网 (WPAN) 技术更快低成本低功耗范围范围(m)数据网络数据网络802.11a/b/g/n.11n promises 100Mbps 100m服务质量，流动室内高清晰室内高清晰UW

30、B蓝牙蓝牙 UWB短距离短距离高速下载110Mbps 10m480Mbps 2m200Mbps 4mData Rate (Mbps)1000100101110100FCC2004.4发布的UWB频谱和应用规定探测室内的物体和人员活动通信、测量用途信号频带应用环境3.110.6Ghz高速家用网络、规定的测量设备车载雷达系统2229Ghz探测车辆周围的物体避免碰撞等探地雷达3.110.6Ghz探测地下埋藏物并成像探墙雷达3.110.6Ghz探测墙内的埋藏物并成像穿墙雷达1.9910.6Ghz监视1.9910.6Ghz监视某区域内的人、物或干扰医疗3.110.6Ghz检查人体或动物体内器官FCC 规

31、则规则 物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段等问题：物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段等问题： 编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发机结编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发机结构和功率等一系列的技术参数。比较常见的编码调制技术包括构和功率等一系列的技术参数。比较常见的编码调制技术包括幅移键控、频移键控、相移键控和各种扩频技术。幅移键控、频移键控、相移键控和各种扩频技术。 提高数据传输速率可以减少数据收发的时间，对于节能提高数据传输速率可以减少数据收发的时间，对于节能具有意义，但需要同时考虑提高网络速度对误码的影响。一般具有意义，但需要同时考虑提高网络速度对

32、误码的影响。一般用单个比特的收发能耗来定义数据传输对能量的效率，单比特用单个比特的收发能耗来定义数据传输对能量的效率，单比特能耗越小越好。能耗越小越好。无线传感器网络物理层的设计无线传感器网络物理层的设计 无线传感器网络作为无线通信网络中的一种类型，因无线传感器网络作为无线通信网络中的一种类型，因此它包含了上述介绍的无线通信物理层技术的特点。此它包含了上述介绍的无线通信物理层技术的特点。 目前无线传感器网络的通信传输介质主要是目前无线传感器网络的通信传输介质主要是无线电波无线电波、红外线红外线和和光波光波三种类型。无线电波的通信限制较少，通常三种类型。无线电波的通信限制较少，通常人们选择人们选

33、择“工业、科学和医疗工业、科学和医疗”(Industrial(Industrial，Scientific and Medical, ISM)Scientific and Medical, ISM)频段。频段。ISMISM频段的优点在频段的优点在于它是自由频段，无须注册，可选频谱范围大，实现起来于它是自由频段，无须注册，可选频谱范围大，实现起来灵活方便。灵活方便。ISMISM频段的缺点主要是功率受限，另外与现有频段的缺点主要是功率受限，另外与现有多种无线通信应用存在相互干扰问题。多种无线通信应用存在相互干扰问题。无线传感器网络物理层的设计无线传感器网络物理层的设计nISM波段ISM波段的特波段的

34、特点是无须申点是无须申请，利于降请，利于降低成本。低成本。 无线传感器网络节点之间通信的另一种手段是红外技无线传感器网络节点之间通信的另一种手段是红外技术。红外通信的优点是无须注册，并且抗干扰能力强。术。红外通信的优点是无须注册，并且抗干扰能力强。 红外通信的主要缺点是穿透能力差，要求发送者和接红外通信的主要缺点是穿透能力差，要求发送者和接收者之间存在视距关系。这导致了红外难以成为无线传感收者之间存在视距关系。这导致了红外难以成为无线传感器网络的主流传输介质，而只能在一些特殊场合得到应用。器网络的主流传输介质，而只能在一些特殊场合得到应用。 对于一些特殊场合的应用情况，传感器网络对通信传输介质

35、可对于一些特殊场合的应用情况，传感器网络对通信传输介质可能有特别的要求。例如，舰船应用可能要求使用水性传输介质，譬能有特别的要求。例如，舰船应用可能要求使用水性传输介质，譬如能穿透水面的长波。复杂地形和战场应用会遇到信道不可靠和严如能穿透水面的长波。复杂地形和战场应用会遇到信道不可靠和严重干扰等问题。重干扰等问题。 另外，一些传感器节点的天线可能在高度和发射功率方面比不另外，一些传感器节点的天线可能在高度和发射功率方面比不上周围的其它无线设备，为了保证这些低发射功率的传感器网络节上周围的其它无线设备，为了保证这些低发射功率的传感器网络节点正常完成通信任务，要求所选择的传输介质能支持健壮的编码和

36、点正常完成通信任务，要求所选择的传输介质能支持健壮的编码和调制机制。调制机制。2 2、物理层帧结构、物理层帧结构 物理帧的第一个字段是前导码，字节数一般取物理帧的第一个字段是前导码，字节数一般取4 4，用于收发器进行码片，用于收发器进行码片或者符号的同步。第二个字段是帧头，长度通常为一个字节，表示同步结束，或者符号的同步。第二个字段是帧头，长度通常为一个字节，表示同步结束，数据包开始传输。帧头与前导码构成了同步头。数据包开始传输。帧头与前导码构成了同步头。 帧长度字段通常由一个字节的低帧长度字段通常由一个字节的低7 7位表示，其值就是后续的物理层位表示，其值就是后续的物理层PHYPHY负负载的

37、长度，因此它的后续载的长度，因此它的后续PHYPHY负载的长度不会超过负载的长度不会超过127127个字节。个字节。 物理帧物理帧PHYPHY的负载长度可变，称为物理服务数据单元的负载长度可变，称为物理服务数据单元(PHY Service Data (PHY Service Data Unite, PSDU)Unite, PSDU)，携带，携带PHYPHY数据包的数据，数据包的数据，PSDUPSDU域是物理层的载荷域是物理层的载荷 。 在低速无线个域网在低速无线个域网(LR-PAN)(LR-PAN)的的802.15.4802.15.4标准中，定义标准中，定义的物理层是在的物理层是在868MHz

38、868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三个载波频段收发三个载波频段收发数据。在这三个频段都使用了直接序列扩频方式。数据。在这三个频段都使用了直接序列扩频方式。 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4标准非常适合无线传感器网络的特点，标准非常适合无线传感器网络的特点，是传感器网络物理层协议标准的最有力竞争者之一。目前是传感器网络物理层协议标准的最有力竞争者之一。目前基于该标准的射频芯片也相继推出，例如基于该标准的射频芯片也相继推出，例如ChipconChipcon公司的公司的CC2420CC2420无线通信芯片。无线通信芯片。 总的来看，针对无线传感器网

39、络的特点，现有总的来看，针对无线传感器网络的特点，现有的物理层设计基本采用结构简单的调制方式，在的物理层设计基本采用结构简单的调制方式，在频段选择上主要集中在频段选择上主要集中在433433464MHz464MHz、902902928MHz928MHz和和2.42.42.5GHz2.5GHz的的ISMISM波段。波段。2.2 MAC2.2 MAC协议协议2.2.1 MAC2.2.1 MAC协议概述协议概述 无线频谱是无线通信的介质，这种广播介质属于稀缺资源。在无无线频谱是无线通信的介质，这种广播介质属于稀缺资源。在无线传感器网络中，可能有多个节点设备同时接入信道，导致分组之间线传感器网络中，可

40、能有多个节点设备同时接入信道，导致分组之间相互冲突，使接收方难以分辨出接收到的数据，从而浪费了信道资源，相互冲突，使接收方难以分辨出接收到的数据，从而浪费了信道资源，导致网络吞吐量下降。为了解决这些问题，就需要设计介质访问控制导致网络吞吐量下降。为了解决这些问题，就需要设计介质访问控制(Medium Access Control(Medium Access Control，MAC)MAC)协议。所谓协议。所谓MACMAC协议就是通过一组规协议就是通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质。则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质。TCP/IPTCP/IP协议基础：协议基础：OSIOSI

41、分层结构分层结构功能提供电气连接和信号标准控制系统与另一端的系统之间的数据流层次应用层表示层会话层传输层数据链路层物理层网络层决定数据传输的物理通道 IP路径确定、传输质量控制 TCP、UDP通信进程间安全性操作、名字识别、登录等最终数据反映形式。如字符、图形、语音网络操作系统及应用程序(1) (1) 采用分布式控制还是集中控制；采用分布式控制还是集中控制；(2) (2) 使用单一共享信道还是多个信道；使用单一共享信道还是多个信道；(3) (3) 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。目前无线传感器网络目前无线传感器网络MACMAC协议可以按照下列

42、条件进行分类：协议可以按照下列条件进行分类： 根据上述的第三种分类方法，将传感器网络的根据上述的第三种分类方法，将传感器网络的MACMAC协议分为以下三种：协议分为以下三种： (1) (1) 时分复用无竞争接入方式时分复用无竞争接入方式。无线信道时分复用。无线信道时分复用(Time (Time Division Multiple AccessDivision Multiple Access，TDMA)TDMA)方式给每个传感器节点分配方式给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，避免节点之间相互干扰。固定的无线信道使用时段，避免节点之间相互干扰。 (2) (2) 随机竞争接入方式随机竞争接入

43、方式。如果采用无线信道的随机。如果采用无线信道的随机竞争接入方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信竞争接入方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，尽量减少节点间的干扰。典型的方法是采用载波侦道，尽量减少节点间的干扰。典型的方法是采用载波侦听多路访问听多路访问(Carrier Sense Multiple Access(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)CSMA)的的MACMAC协议。协议。 (3) (3) 竞争与固定分配相结合的接入方式竞争与固定分配相结合的接入方式。通过混合。通过混合采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突采用频分复用或者码分

44、复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道分配。的无线信道分配。 基于竞争的随机访问基于竞争的随机访问MACMAC协议采用按需使用信道的方式，它的基协议采用按需使用信道的方式，它的基本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，如本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。送成功或放弃发送。 典型的基于竞争的随机访问典型的基于竞争的随机访问MACMAC协议是载波侦听多路访问协议是载波侦听多路访问(CSMA)(CSMA)接入方式。在无线局域网接

45、入方式。在无线局域网IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC协议的分布式协调工作协议的分布式协调工作模式中，就采用了带冲突避免的载波侦听多路访问模式中，就采用了带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA with (CSMA with Collision AvoidanceCollision Avoidance，CSMA/CA)CSMA/CA)协议，它是基于竞争的无线网络协议，它是基于竞争的无线网络MACMAC协议的典型代表。协议的典型代表。 所谓的所谓的CSMA/CACSMA/CA机制机制是指在信号传输之前，发射机先侦听介质是指在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否有同信道载

46、波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数中是否有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。 在在IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC协议基础上，人们设计出适用于传感器网协议基础上，人们设计出适用于传感器网络的多种络的多种MACMAC协议。协议。 下面首先介绍下面首先介绍IEEE 802.1l MACIEEE 802.1l MAC协议

47、的内容，然后介绍一种适协议的内容，然后介绍一种适用于无线传感器网络的典型用于无线传感器网络的典型MACMAC协议。协议。IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC协议协议 IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC协议分为分布式协调功能协议分为分布式协调功能(Distributed Coordination Function, DCF)(Distributed Coordination Function, DCF)和点协和点协调功能调功能(Point Coordination Function(Point Coordination Function，PCF

48、)PCF)两种访两种访问控制方式，其中问控制方式，其中DCFDCF方式是方式是IEEE 802.11IEEE 802.11协议的基本协议的基本访问控制方式。访问控制方式。 n RTS/CTS RTS/CTS协议协议(Request To (Request To Send/Clear To Send)Send/Clear To Send)即请求发送即请求发送/ /允许允许发送协议，相当于一种握手协议发送协议，相当于一种握手协议. . n ACK (Acknowledgement ACK (Acknowledgement）接收站发）接收站发给发送站的一种传输控制字符，表示确给发送站的一种传输控制字

49、符，表示确认发来的数据已经接受无误认发来的数据已经接受无误 在在DCFDCF工作方式工作方式下，载波侦听机制下，载波侦听机制通过通过物理载波侦听物理载波侦听和和虚拟载波侦听虚拟载波侦听来来确定无线信道的状确定无线信道的状态。物理载波侦听态。物理载波侦听由物理层提供，虚由物理层提供，虚拟载波侦听由拟载波侦听由MACMAC层层提供。提供。ABCDRTS数 据CTSA CKN A VN A V IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC协议规定了三种基本帧间间隔协议规定了三种基本帧间间隔(InterFrame (InterFrame SpaceSpace，IFS)IFS)，用来提

50、供访问无线信道的优先级：，用来提供访问无线信道的优先级：（1 1）SIFS SIFS (short IFS)(short IFS)：最短帧间间隔。：最短帧间间隔。（2 2）PIFSPIFS (PCF IFS) (PCF IFS)：PCFPCF方式下节点使用的帧间间隔。方式下节点使用的帧间间隔。（3 3）DIFS DIFS (DCF IFS)(DCF IFS)：DCFDCF方式下节点使用的帧间间隔。方式下节点使用的帧间间隔。 根据根据CSMA/CACSMA/CA协议，当节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状协议，当节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状态。如果信道空闲，而且经过一个帧间间隔时间态

51、。如果信道空闲，而且经过一个帧间间隔时间DIFSDIFS后，信道仍然空后，信道仍然空闲，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，闲，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，直到信道的空闲时间超过直到信道的空闲时间超过DIFSDIFS。当信道最终空闲下来的时候，节点进。当信道最终空闲下来的时候，节点进一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。当信道空闲时间大于DIF时 使用信道DIFSPIFSSIFS信道忙竞争窗口退避窗口下一帧时间槽时间DIFS推迟发送 随机退避时间按下面公式进行计算：随机退避时间按下

52、面公式进行计算： 退避时间退避时间=Random()=Random()aSlottimeaSlottime 其中，其中，Random()Random()是在竞争窗口是在竞争窗口00，CWCW内均匀分布的伪内均匀分布的伪随机整数；随机整数；CWCW是整数随机数，它的数值位于标准规定的是整数随机数，它的数值位于标准规定的aCWminaCWmin和和aCWmaxaCWmax之间；之间；aSlottimeaSlottime是一个时槽时间，包括发是一个时槽时间，包括发射启动时间、介质传播时延、检测信道的响应时间等。射启动时间、介质传播时延、检测信道的响应时间等。 网络节点在进入退避状态网络节点在进入退避

53、状态时，启动一个退避计时器，时，启动一个退避计时器，当计时达到退避时间后结束当计时达到退避时间后结束退避状态。在退避状态下，退避状态。在退避状态下，只有当检测到信道空闲时才只有当检测到信道空闲时才进行计时。如果信道忙，退进行计时。如果信道忙，退避计时器中止计时，直到检避计时器中止计时，直到检测到信道空闲时间大于测到信道空闲时间大于DIFSDIFS后才继续计时。当多个节点后才继续计时。当多个节点推迟且进入随机退避时，利推迟且进入随机退避时，利用随机函数选择最小退避时用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争优胜者。间的节点作为竞争优胜者。节点A节点B节点C节点D推迟推迟推迟竞争窗口帧帧节点EDIF

54、S推迟竞争窗口帧竞争窗口帧帧竞争窗口退避时间剩余退避时间 802.11 MAC 802.11 MAC协议通过协议通过立即主动确认机制立即主动确认机制和和预留机制预留机制提高性能。在主动确提高性能。在主动确认机制中，当目标节点收到一个发送给它的有效数据帧认机制中，当目标节点收到一个发送给它的有效数据帧(DATA)(DATA)时，必须向源时，必须向源节点发送一个应答帧节点发送一个应答帧(ACK)(ACK)，确认数据已被正确接收到。为了保证目标节点，确认数据已被正确接收到。为了保证目标节点在发送在发送ACKACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用SIFS

55、SIFS帧间隔。主动帧间隔。主动确认机制只能用于有明确目标地址的帧，不能用于组播和广播报文传输。确认机制只能用于有明确目标地址的帧，不能用于组播和广播报文传输。RTSDATACTSACK竞 争 窗 口下 一 帧DIFSDIFS源 站 点SIFS目 的 站 点NAV(RTS)NAV(CTS)其 他 站 点66RTS-CTS握手机制 发送节点在数据发送前与接收节点进行一次短控制消息的握手，接收 节点以短消息的方式通知邻近节点它将进行接收，既RTS-CTS方式。 邻近节点在收到RTS帧和CTS帧后，在以后的一段时间内抑制自己的传 输，从而避免对即将进行的数据传输造成碰撞。 尽管这种方式是以增加附加控

56、制开销为代价的，但它是目前解决这个 问题的主要趋势。RTSABCDCTSNAVNAV数 据ACK67 在请求帧RTS与清除帧CTS中都有一个字段表示这次数据交换需要的时间长度，成为网络分配矢量（NAV），其他帧的MAC头也会捎带这一信息。RTSABCDCTSNAVNAV数 据ACK NAV可看作一个计数器，以均匀速率递减计数到零。当计数器为零时，虚拟载波侦听指示信道为空闲状态；否则，指示信道为忙状态。RTS-CTS握手机制68RTS-CTS握手机制和退避机制 节点在进入退避状态时启动一个退避计数器，当计时完成时计数退避状态。在退避状态下，只有当检测到信道空闲时才进行计时，如果信道忙，退避计时器

57、中止计时，直到检测到信道空闲。RTSABCDCTSNAVNAV数 据ACK 当多个节点推迟且进入随机退避时，利用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争优胜者。RTS典型典型MACMAC协议：协议：S-MACS-MAC协议协议 这里介绍一种适用于无线传感器网络的比较典型的这里介绍一种适用于无线传感器网络的比较典型的MACMAC协议，即协议，即S-MACS-MAC协议协议(Sensor MAC)(Sensor MAC)。这种协议是在。这种协议是在802.1l 802.1l MACMAC协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的。的。 S-MA

58、C S-MAC协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大，协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的通信延迟。它的设计目标是提供良网络能容忍一定程度的通信延迟。它的设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能耗。好的扩展性，减少节点能耗。 通常无线传感器网络的无效能耗主要来源于如下四通常无线传感器网络的无效能耗主要来源于如下四种原因：种原因： 空闲监听空闲监听 数据冲突数据冲突 串扰串扰 控制开销控制开销（1 1）周期性侦听和睡眠机制）周期性侦听和睡眠机制 S-MACS-MAC协

59、议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。帧内分监听协议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。帧内分监听工作阶段和睡眠阶段。监听工作阶段和睡眠阶段。监听/ /睡眠阶段的持续时间要根据应用情况进睡眠阶段的持续时间要根据应用情况进行调整。当节点处于睡眠阶段时，关闭无线电波，以节省能量。当行调整。当节点处于睡眠阶段时，关闭无线电波，以节省能量。当然节点需要缓存这期间收到的数据，以便工作阶段集中发送。然节点需要缓存这期间收到的数据，以便工作阶段集中发送。侦听侦听睡眠睡眠节点协同进行周期性侦听和睡眠的状态切换，确保节点能同步进行侦听和睡眠调度。调度周期：周期性侦听和睡眠的时间之和为一个调度周期。 具有相同调度

60、的节点形成一个所谓具有相同调度的节点形成一个所谓的虚拟簇，边界节点记录两个或多个调的虚拟簇，边界节点记录两个或多个调度。如果传感器网络的部署范围较广，度。如果传感器网络的部署范围较广，可能形成众多不同的虚拟簇，使得可能形成众多不同的虚拟簇，使得S-S-MACMAC协议具有良好的可扩展性。协议具有良好的可扩展性。 为了适应新加入节点，每个节点要为了适应新加入节点，每个节点要定期广播自己的调度信息，使新节点可定期广播自己的调度信息，使新节点可以与已经存在的相邻节点保持同步。如以与已经存在的相邻节点保持同步。如果节点同时收到两种不同的调度，如图果节点同时收到两种不同的调度，如图所示的处于两个不同调度